2. Energian siirtymistavat ja lämpö Flashcards
Mitä energian säilymislailla tarkoitetaan?
Energian säilymislain mukaisesti, energiaa ei synny tyhjästä eikä sitä katoa, mutta sitä voi muuntua muodosta toiseen. Eli jos ympäristöön ei siirry energiaa, systeemin korkeammassa lämpötilassa oleva kappale luovuttaa saman verran energiaa kuin systeemin matalammassa lämpötilassa oleva kappale vastaanottaaa.
Mitä lämpö on? Mitä teho on?
Lämmöllä tarkoitetaan lämpötilaeron vaikutuksesta siirtyvää energiaa. Kirjaintunnus on Q ja yksikkö joule J.
Teho on suure, joka kuvaa energian siirtymis- tai muuntumisnopeutta. Kirjaintunnus P ja yksikkö watti W. Esim. mikäli lämpöpatterin maksimilämmitysteho on 800 W, pystyy lämpöpatterista voi siirtyä ympäristöön energiaa enintään 800 joulea sekunissa.
Miten energian johtuminen tapahtuu, kun lämmitetään metallitankoa toisesta päästä?
Energiaa voi siirtyä johtumalla kappaleessa tai toisiaan koskettavien kappaleiden välillä.
Kun metallitankoa kuumennetaan toisesta päästä, metallitangon sisäenergia kasvaa ja kuumennetun pään rakenneosasten lämpöliike lisääntyy. Rakenneosasten lämpöliikkeen lisääntyminen metallitangon toisessa päässä vaikuttaa myös niiden viereisiin rakenneosasiin, jotka alkavat siten liikkua enemmän. Näin lämpöliike etenee kohti tangon viileämpää päätä. Lopuksi metallitangon päiden lämpötilaerot ovat tasoittuneet eli lämpöliikettä on kaikkialla tangossa keskimäärin yhtä paljon, eikä johtumista enää tapahdu.
Miksi paljas kivilattia tuntuu jalkojen alla kylmältä? Miten lattian materiaali vaikuttaa asiaan?
Paljas kivilattia tuntuu jalkojen alla kylmältä, sillä energiaa siirtyy johtumalla lämpimistä jaloista kylmään kivilattiaan. Tällöin iho jäähtyy samalla.
Vaikka kaksi eri materiaaleista valmistettua lattiaa olisivat lämpötilaltaan identtisiä, saattaa toinen materiaaleista tuntua lämpimien jalkojen alla viileämmältä. Tämä johtuu siitä, että eri materiaalit johtavat lämpöä eri tavoin. Mitä suuremmalla teholla energiaa siirtyy lämpimistä jaloistasi lattiaan, sitä kylmemmältä kosketettava kappale tuntuu.
Mitä lämmönjohtavuus tarkoittaa?
Lämmönjohtavuus on materiaalille ominainen suure, joka kuvaa aineen kykyä siirtää energiaa lävitseen. Mitä suurempi materiaalin lämmönjohtavuus on, sitä enemmän energiaa sen läpi siirtyy aikayksikössä.
Lämmönjohtavuuden yksikkö on W/(m*K), eli wattia metriä ja kelviniä kohden.
Eri materiaalit johtavat lämpöä eri tavoin. Metallit johtavat tyypillisesti hyvin lämpöä, eli ne ovat hyviä lämmönjohteita. Metallien hyvä lämmönjohtavuus on seurausta metallien rakenteessa olevista delokalisoituneista elektroneista. Jotkut materiaalit johtavat lämpöä niin huonosti, että niitä kutsutaan lämmöneristeiksi.
Miten kuljettumisessa siirtyy energiaa? Miksi sitä kutsutaan?
Kuljettumisessa energiaa siirtyy liikkuvan aineen eli väliaineen mukana. Kuljettumista kutsutaan myös konvektioksi.
Missä energian kuljettumista hyödynnetään?
Esimerkiksi meri- ja ilmavirtojen mukana siirtyy suuria määriä energiaa (Golf-virta Meksikonlahdelta, tekee Suomen ilmastosta lauhkean -> veteen sitoutunut energia).
Tietoa energian kuljettumisesta hyödynnetään myös kaukolämpöverkossa. Kaukolämpöputket ovat hyvin eristettyjä, jottei energiaa pääse johtumaan maaperään. Voimalaitokselta käyttäjille lähtevä paineistettu vesi on 65-115 celsiuasteen lämpöistä. Kodeissa energiaa siirretään vesikiertoiseen lattialämmitykseen tai lämpöpattereihin. Kaukolämpölaitokselle palaavan veden lämpötila on 25-50 celsiusastetta.
Miksi ja miten ulos kannattaa pukeutua kylmällä säällä?
Mitä kylmempi sää on, sitä suuremmalla teholla energiaa siirtyy iholta ympäröivään ilmaan. Pukeutumalla estetään tai vähennetään tätä energian siirtymistä iholta ympäristöön. Yleensä tässä hyödynnetään kolmesta kerroksesta koostuvaa kerrospukeutumista.
Aluskerros siirtää kosteutta pois iholta uloimpiin vaatekerroksiin ja vähentää energian johtumista iholta. Huokoisessa välikerroksessa puolestaan paikallaan pysyvä ilma toimii hyvänä lämmöneristeenä, joka vähentää energian johtumista ja kuljettumista iholta. Tuulenkestävä kuorikerros vähentää energian kuljettumista ja kosteuden pääsyä vaatteiden sisään.
Tuuli lisää pakkasen purevuutta, koska liikkuva ilma lisää energian kuljettumista ihon pinnalta.
Mitä lämpösäteily on?
Lämpösäteilyllä tarkoitetaan aineen lähettämiä sähkömagneettisia aaltoja, eli sähkömagneettista säteilyä, jonka syntyessä lämpöenergiaa muuttuu sähkömagneettiseksi energiaksi. Säteily ei tarvitse väliainetta edetäkseen. Säteily on peräisin aineen rakenneosasten lämpöliikkeestä. Koska lämpöliike pysähtyy vain absoluuttisessa nollapisteessä, jota ei ole mahdollista saavuttaa, kaikki kappaleet säteileivät lämpösäteilyä ympäristöönsä.
Miten kappaleen lämpötila vaikuttaa sen lähettämään lämpösäteilyn?
Mitä kuumempi kappale on, sitä enemmän se säteilee. Huoneenlämmössä oleva kappale säteilee infrapunasäteilyä, mutta hehkuvan kuuma kappale säteilee myös näkyvää valoa.
Myös lämpösäteilyn aallonpituus riippuu kappaleen lämpötilasta. Kun kappaleen lämpötila nousee, sen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus lyhenee ja samalla säteilyn sisältämän energian määrä tai intensiteetti kasvaa.
Mitä tarkoitetaan emittoimisella ja absorboimisella?
Kun kappale lähettää eli emittoi säteilyä, se luovuttaa energiaa ympäristöönsä. Samalla sen sisäenergia pienenee ja lämpötila laskee.
Kun kappale absorboi säteilyä, energiaa imeytyy kappaleeseen. Absorboitunut energia kasvattaa kappaleen sisäenergiaa ja aiheuttaa sen lämpötilan nousun.
Kappaleet emittoivat ja absorboivat säteilyä koko ajan. Siirtyneen energian kokonaismäärä ratkaisee, jäähtyykö vai lämpeneekö kappale. Jos emittoituneen säteilyn määrä on absorboitunutta säteilyä suurempi, kappale viilenee.
Mikä asia vaikuttaa siihen, kuinka hyvin materiaali lähettää tai vastaanottaa energiaa säteilynä?
Materiaalin pinnan laatu vaikuttaa siihen, kuinka hyvin materiaali lähettää tai vastaanottaa energiaa säteilynä. Mustat mattapinnat absorboivat hyvin lämpösäteilyä, kun taas kiiltävät pinnat heijastavat sitä.
